局部放電高性能電流傳感器的設(shè)計

戴旭益，楊 珀，沈劍榮，陳 炯

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090;2.國網(wǎng)安徽省電力公司，安徽合肥 230061;3.國電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波 315800)

局部放電檢測是檢驗設(shè)備絕緣狀態(tài)的重要試驗，局部放電在線監(jiān)測是近年來非常熱門的一個研究課題.［1］基于羅氏線圈結(jié)構(gòu)的電流傳感器不僅可以實現(xiàn)對一些微小的絕緣缺陷引起的電纜局部放電微信號的檢測，而且可以在線監(jiān)測電纜和發(fā)電機組絕緣介質(zhì)等設(shè)備的絕緣狀態(tài)，［2-3］在電纜或發(fā)電機組不停運的情況下，獲取內(nèi)部絕緣老化狀況，并根據(jù)絕緣狀態(tài)信息制定維修策略，以保證電纜的安全運行.

羅氏線圈由于傳遞線性度好、測量頻率寬、工作速度快，以及無磁飽和的問題而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)高壓側(cè)電流的檢測、保護(hù)和控制.［4］本文分析了羅氏線圈的原理，建立了相應(yīng)的高頻模型和等效電路，結(jié)合軟件仿真設(shè)計出合適的傳感器參數(shù)，然后通過邊界性能良好濾波器進(jìn)行信號處理，以提高傳感器的幅頻特性.最后從其靈敏度、工作頻帶及通帶到阻帶的滾降速度等方面檢驗了傳感器的性能.

1 電流傳感器原理與高頻模型分析

電流傳感器是一種基于電磁感應(yīng)信號耦合的線圈，如圖1所示.其基本原理是:一次側(cè)初始信號電流流過電流傳感器幾何中心，在初級線圈交流電流的作用下，磁芯中產(chǎn)生交流磁通，使二次側(cè)線圈感應(yīng)出電流，通過串接的負(fù)載阻抗得到高頻電流分量.［5-6］

圖1 羅氏線圈結(jié)構(gòu)電流傳感器示意

采用羅氏線圈進(jìn)行測量時，載流導(dǎo)線從羅氏線圈的幾何中心穿過，如果線圈的平均半徑為r，線圈截面上各處磁通量可視為相等，則可以得到:

同時通過電磁場理論可知，線圈交鏈的磁鏈而產(chǎn)生的e與初級電流i的變化率di/dt成比例，因此當(dāng)測量線圈在繞線均勻情況下得到的單位長度線圈交鏈的磁鏈為:

式中:B=μH.

對式(2)進(jìn)行處理可以得到整個線圈交鏈的磁鏈，然后對其進(jìn)行微分處理，得到感應(yīng)電動勢為:

圖2為羅氏線圈等效電路模型.［6］

由圖2可知:

圖2 羅氏線圈等效電路

將式(4)、式(5)、式(6)聯(lián)立進(jìn)行處理，經(jīng)過拉普拉斯變換后計算得到該高頻線圈S域的傳遞函數(shù)為:

在fH遠(yuǎn)大于fL且電阻線圈內(nèi)阻和采樣電阻較小的情況下有:

在高頻信號作用下，雜散電容的作用不能忽視.分析線圈在諧振角頻率ω0時的靈敏度:

可知，耦合高頻信號時，線圈的靈敏度是由其自身電感Ls，電阻Rs，雜散電容Cs，外接電阻R共同決定的.雖然在高頻信號作用時，決定線圈靈敏度的因素比較復(fù)雜，但可以容易得到輸出電壓幅值跟外接積分電阻成正比、與傳感器副邊線圈匝數(shù)成反比的變化關(guān)系.在確定傳感器磁芯材料、結(jié)構(gòu)形狀，以及內(nèi)徑、外徑和高度后，改變線圈匝數(shù)和外接積分電阻的大小，就可以調(diào)節(jié)電流傳感器的工作頻帶和靈敏度.

綜合工作頻帶和靈敏度可以看出，增加積分電阻可以提高靈敏度的同時會影響線圈的工作頻帶;增加副邊線圈匝數(shù)可以增加響應(yīng)帶寬的同時會影響線圈的靈敏度.因此，在磁芯外部特性確定后，線圈內(nèi)部特性參數(shù)(如匝數(shù)和積分電阻的大小)存在一個最佳的匹配問題，決定著傳感器的工作性能.

2 參數(shù)設(shè)定與仿真分析

設(shè)置傳感器初始參數(shù)，并在Matlab軟件中進(jìn)行仿真，尋找因參數(shù)變化引起傳感器特性變化的規(guī)律.經(jīng)過多次參數(shù)仿真對比，本文設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)傳感器參數(shù)如下:線圈外徑為17mm;線圈內(nèi)徑為11.5mm;骨架高度為12.5mm;線圈匝數(shù)為30;銅線直徑為0.4mm.選取磁導(dǎo)率為200的鎳鋅鐵氧體作為傳感器磁芯.

計算的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置為:M=5.9 μH，Ls=177 μH，Cs=270.9 pF，Rs≈ 1.129 Ω，ρ=0.017 78 Ω·mm2/m.然后對傳感器進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3 傳感器仿真結(jié)果

由圖3可知，傳感器在-3 dB時達(dá)到設(shè)計的最大靈敏度11 dB，在0.1～0.8 MHz的工作頻段內(nèi)保持穩(wěn)定的靈敏度.

由傳感器模型分析可知，線圈的工作頻帶和靈敏度與所繞制的匝數(shù)和選用的自積分電阻的大小有關(guān).對于這兩種不同的參數(shù)，在仿真軟件中通過逐次改變其中一個參數(shù)來觀察對線圈幅頻特性的影響，然后得出兩個參數(shù)的最佳匹配值.［7］

改變自積分電阻的大小可以改變線圈的幅頻特性，如圖4所示.當(dāng)選用1 000 Ω的自積分電阻時，設(shè)計的最大靈敏度約為30 dB.線圈工作頻帶的下限在1 MHz左右才達(dá)到設(shè)計的最大靈敏度.這樣雖然能夠避開改頻段內(nèi)的噪聲干擾，但是在捕捉頻率相對較低段局部放電信號的能力方面有所下降，并且最大靈敏度處的工作頻帶遠(yuǎn)小于局部放電信號的帶寬.如果持續(xù)增加自積分值，則原始信號的耦合能力更為減弱.當(dāng)選用10 Ω的的自積分電阻時，設(shè)計的最大靈敏度為-10 dB，下限頻率將減少到10 kHz，大大增加了工作頻帶內(nèi)耦合干擾信號的可能.為使靈敏度和帶寬同時滿足要求，將R取為100 Ω.由仿真結(jié)果可知，積分電阻在100 Ω時，傳感器的靈敏度和工作頻帶都能很好地滿足局部放電信號的測量要求.

圖4 積分電阻影響下的變化規(guī)律

改變繞制匝數(shù)可以改變線圈的幅頻特性，如圖5所示.當(dāng)增加線圈匝數(shù)為90匝時，設(shè)計的最大靈敏度約為1 dB，線圈在10 kHz時已達(dá)到設(shè)計的最大靈敏度，工作頻帶為0.01 ～1.0 MHz.由于干擾信號一般在1 MHz以下，該工作頻帶導(dǎo)致線圈抗干擾信號的能力有所下降.當(dāng)減少線圈匝數(shù)為10匝時，最大靈敏度為20 dB，工作頻帶為1～10 MHz.該工作頻帶對于低頻段局部放電信號的捕捉能力較弱，在0.1～1.0 MHz內(nèi)的信號不能被耦合過來.當(dāng)匝數(shù)為30匝時，傳感器靈敏度和工作頻帶都能很好地滿足局部放電信號的測量要求.

圖5 繞線匝數(shù)影響下的變化規(guī)律

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最終確定匝數(shù)為30匝，積分電阻為100 Ω，工作頻帶為0．1～8．0 MHz，傳感器的工作頻帶平坦且有12 dB的最大靈敏度．

3 信號處理電路設(shè)計

對傳感器耦合到的信號，一方面要進(jìn)行濾波處理，另一方面由于傳感器幅頻響應(yīng)曲線在通帶和阻帶臨界處的降落速度不夠理想，為提高臨界處的信噪比，綜合考慮下設(shè)計了如圖6所示的6階帶通濾波單元．

圖6 信號處理電路

信號處理部分的頻帶為0．1～10 MHz．前級采用2階高通濾波器，通帶到阻帶臨界部分的滾降速度為40 dB/10倍頻程，后級采用4階低通濾波器，臨界部分的滾降速度為80 dB/10倍頻程，邊界滾降性能良好．整個濾波電路的通帶增益是電壓分壓器比值與濾波器部分增益的乘積，取值為1，故有:

式中:AVF1——巴特沃斯濾波器特定階數(shù)設(shè)定下的增益．

4 測試結(jié)果

搭建波形發(fā)生器產(chǎn)生各種頻率的正弦波，用高頻電容進(jìn)行分壓，再用一個相同的高頻電容獲得所需的電流信號．將電流信號線盡可能垂直于傳感器幾何中心穿過，用示波器測取經(jīng)信號處理電路的電壓信號．為了增大線圈的互感，提高線圈的抗干擾能力，采用回繞線方式．測試結(jié)果如圖7所示．

圖7 加裝處理電路的電流傳感器幅頻特性

帶信號處理電路的電流傳感器通帶平坦，頻率低于下限頻率處的曲線以40 dB/10倍頻程降落，頻率高于上限頻率處的曲線以80 dB/10倍頻程迅速衰減，處理電路在濾波的同時提高了通帶和阻帶臨界處的信噪比，增加了傳感器的耦合能力．

盡管實測傳感器和仿真幅頻曲線存在一定的靈敏度偏差，但已達(dá)到預(yù)期幅頻要求．偏差原因可能是外界磁場對羅氏線圈造成的影響、母線偏心放置時引起的誤差，以及繞線重疊造成的誤差等.通過改進(jìn)繞組的纏繞技術(shù)和屏蔽措施(屏蔽殼套)，可以在一定程度上減少傳感器的誤差.［8］

5 結(jié)論

(1)分析了高頻電流傳感器模型，設(shè)置了基本參數(shù)對其進(jìn)行仿真，通過變化規(guī)律，確定積分電阻和傳感器匝數(shù)合適的匹配值，設(shè)計制作了性能良好的電流傳感器，適合測量0.1～8.0 MHz頻段內(nèi)的局部放電信號.

(2)加裝信號濾波處理電路，提高了傳感器幅頻特性通帶到阻帶的邊界性能，低通部分通帶到阻帶以80 dB/10倍頻程快速降落，能耦合到信噪比高的信號.

(3)加裝信號處理電路的電流傳感器幅頻特性的測試表明，電流傳感器在0.1～8.0 MHz的工作頻段內(nèi)具有靈敏度高、工作頻帶寬、通帶曲線波動率小的特點，總體工作性能良好.

［1］ 羅俊華，馬翠嬌，邱毓昌，等.35kV及以下XLPE電力電纜試驗方法的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(12):58-61.

［2］ 刑德強.XLPE電力電纜檢測技術(shù)［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2006，21(11):7-8.

［3］ 陶詩洋.基于振蕩波測試系統(tǒng)的XLPE電纜局部放電檢測技術(shù)［J］.中國電力，2009，42(1):98-101.

［4］ 彭麗.10kV/35kV電子式電壓/電流互感器研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2004.

［5］ 張崗.光電混合式電流互感器的設(shè)計理論及其在電力系統(tǒng)巾的應(yīng)用［D］.武漢:華中理工大學(xué)，2000.

［6］ 葛景滂，邱昌容.局部放電測量［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1984:262-268.

［7］ 鄒積巖.羅哥夫斯基線圈測量電流的仿真計算及實驗研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2001，16(1):81-84.

［8］ 申燭，錢政，羅承林.Rogowski線圈測量誤差分析和估計［J］.高電壓技術(shù)，2003，29(1):6-8.